基于LabView的GSM移動通信系統(tǒng)手機設(shè)計與開發(fā)畢業(yè)論文.doc

畢業(yè)論文（設(shè)計）BACHELOR DISSERTATION 論文題目： 基于LabView的GSM移動通信系統(tǒng)手機設(shè)計與開發(fā) 基于LabView的GSM移動通信系統(tǒng)手機設(shè)計開發(fā)中文摘要在3G成熟的今天，由于GSM系統(tǒng)的優(yōu)點和使用群體的巨大，使得GSM系統(tǒng)在3G網(wǎng)絡(luò)商用的階段，仍然是滿足人們基本通信需求的一種選擇方式。本設(shè)計運用GSM系統(tǒng)的工作原理，同時結(jié)合實際，運用知識理論解決實際問題,從而培養(yǎng)了動手能力、軟件設(shè)計和硬件的設(shè)計能力。手機設(shè)計一般是指軟件設(shè)計、硬件設(shè)計和包括機械結(jié)構(gòu)設(shè)計在內(nèi)的外觀設(shè)計三大領(lǐng)域。同時手機設(shè)計正逐漸地成為手機制造產(chǎn)業(yè)價值鏈中的重要一環(huán)。本設(shè)計涉及的是軟件設(shè)計和硬件設(shè)計兩個方面。本設(shè)計介紹了GSM網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)和現(xiàn)狀、LabView的基本操作模塊以及特點和功能、無線通信芯片GTM900C的功能和特性、AT命令的使用、LabView軟件搭建PC機與無線模塊的通訊接口和程序調(diào)試。本設(shè)計采用的GSM芯片模塊是華為公司生產(chǎn)的一款GSM/GPRS 無線芯片模塊，經(jīng)過硬件電路設(shè)計并焊接組裝成一款手機，運用LabView8.2編寫虛擬手機界面程序，通過虛擬手機界面能夠控制硬件模塊，實現(xiàn)手機撥號呼叫、通話，等基本通信功能。硬件方面主要由GTM900C模塊、電源模塊、控制模塊組成。關(guān)鍵詞：GSM通信；手機終端；無線通信系統(tǒng)平臺；GTM900CLabView based on the GSM mobile communication system design and development of mobile phonesAbstractIn the 3G mature today, because the GSM systems advantages of using groups is huge, makes the GSM system in 3G network mature stage, GSM system is still meet the basic communication needs of an option. In order to understand the principle of the GSM system, using the knowledge from books to, combined with the actual, put the book to the school the knowledge for solving practical problems, to use this design, so as to cultivate their own, software design and hardware design capability.Mobile phone design generally refers to software design, hardware design and comprises a mechanical structure design, appearance design three major areas. At the same time, mobile phone design is gradually becoming mobile phone manufacturing industry value chain important one annulus.This paper introduces the basic structure of GSM network and current situation, the basic operation of LabView module and characteristic and function, wireless communication chip GTM900C function and characteristic, the use of AT command, using LabView software to build the PC machine and the wireless communication module interface and program debugging. The design mainly uses the LabView8.2 virtual mobile phone interface procedures, through the virtual mobile phone interface control hardware circuit for realizing mobile phone dialing call, call, send and receive text messages and other basic communication function. The hardware is composed of GTM900C module, power supply module, control module.Keywords: GSM communication；mobile terminals；wireless communication system platform；GTM900C目 錄第一章 前言11.1課題的研究目的及其意義11.2 GSM系統(tǒng)歷史背景11.3移動通信的發(fā)展狀況及未來31.4 GSM移動通信系統(tǒng)基本組成原理簡述41.4.1GSM系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)41.4.2GSM系統(tǒng)的接口41.5手機終端的發(fā)展61.5.1目前手機61.5.2未來手機71.6 LabView發(fā)展及其優(yōu)點81.6.1LabView的發(fā)展81.6.2虛擬儀器的功能和特點9第二章 LabView圖形化編程語言112.1 LabView簡介112.2 LabView構(gòu)建程序框圖112.2.1前面板112.2.2流程圖122.2.3圖標與連接器132.3 LabView的操作模板132.3.1工具模板（Tools Palette）132.3.2控制模板（Control Palette）142.3.3功能模板(Functions Palette)152.4虛擬儀器的構(gòu)成172.4.1通用儀器硬件平臺172.4.2軟件結(jié)構(gòu)182.5創(chuàng)建手機界面的VI程序192.5.1前面板192.5.2程序框圖設(shè)計202.3.3最終程序（函數(shù)面板部分）252.6程序調(diào)試方法25第三章 無線通訊模塊的設(shè)計與開發(fā)273.1 硬件介紹及原理圖273.1.1硬件體系結(jié)構(gòu)介紹273.1.2硬件介紹273.2 硬件接口設(shè)計303.2.1電源接口313.2.2 串行接口313.2.3 SIM卡接口323.3 硬件各模塊電路設(shè)計333.3.1 穩(wěn)壓模塊333.3.2 單片機控制模塊343.3.3 MAX232控制模塊353.3.4 硬件實物圖37第四章AT命令與系統(tǒng)調(diào)試384.1AT命令384.1.1 AT命令簡介384.1.2本設(shè)計用到的AT命令394.2 程序運行步驟及結(jié)果404.2.1系統(tǒng)流程404.2.2檢測串口414.2.3 GSM模塊測試414.2.4無線通信平臺呼叫實現(xiàn)42第五章 總結(jié)43參考文獻44致謝45第一章 前言1.1課題的研究目的及其意義本設(shè)計的研究背景：隨著3G的推出，GSM逐漸退出了市場主流，特別是對于2012年來說，人們提到的關(guān)于通信的話題，絕大部分都是關(guān)于3G或者是4G，但是對于GSM來說，它的優(yōu)點還是存在的，特別是現(xiàn)在3G還未成熟。GSM還依舊是市場的主流。對于研究GSM還是有必要性的，對于一個尚未完全了解生GSM系統(tǒng)的學生而言，做一個完整的可以實現(xiàn)無線通信的平臺是最好的鍛煉。本設(shè)計的目的：通過對實驗課題的研究與設(shè)計，可以用GSM系統(tǒng)的理論知識用于解決實際問題，運用到實際，同時也了培養(yǎng)了我們硬件和軟件設(shè)計能力及其動手能力，可以看出該課題的研究具有重要的研究價值和應(yīng)用價值。本設(shè)計的意義：通過這個平臺可以讓更多的同學深入了解GSM系統(tǒng)，熟悉通信實現(xiàn)的具體過程，AT命令的具體應(yīng)用，無線通信模塊如何應(yīng)用在系統(tǒng)中，了解具有強大功能通過圖形編程的語言LabView。1.2 GSM系統(tǒng)歷史背景GSM數(shù)字移動通信系統(tǒng)是由歐洲主要電信運營者和制造廠家組成的標準化委員會設(shè)計出來的，它是在蜂窩系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而成。 蜂窩移動通信的出現(xiàn)可以說是移動通信的一次革命。其頻率復(fù)用大大提高了頻率利用率并增大系統(tǒng)容量，網(wǎng)絡(luò)的智能化實現(xiàn)了越區(qū)轉(zhuǎn)接和漫游功能，擴大了客戶的服務(wù)范圍，但上述模擬系統(tǒng)有四大缺點：（1）各系統(tǒng)間沒有公共接口； （2）很難開展數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)；（3）頻譜利用率低,無法適應(yīng)大容量的需求；（4）安全保密性差，易被竊聽，易做“假機”。尤其是在歐洲系統(tǒng)間沒有公共接口相互之間不能漫游，對客戶之間造成很大的不便。 蜂窩系統(tǒng)的概念和理論二十世紀六十年代就由美國貝爾實驗室等單位提了出來，但其復(fù)雜的控制系統(tǒng)，尤其是實現(xiàn)移動臺的控制直到七十年代隨著半導體技術(shù)的成熟，大規(guī)模集成電路器件和微處理器技術(shù)的發(fā)展以及表面貼裝工藝的廣泛應(yīng)用，才為蜂窩移動通信的實現(xiàn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。直到1979年美國在芝加哥開通了第一個AMPS(先進的移動電話業(yè)務(wù))模擬蜂窩系統(tǒng)，而北歐也于1981年9月在瑞典開通了NMT(Nordic移動電話)系統(tǒng)，接著歐洲先后在英國開通TACS系統(tǒng)，德國開通C450系統(tǒng)等。歐洲主要蜂窩系統(tǒng)見表1。表1 1991年歐洲主要蜂窩系統(tǒng)國家系統(tǒng)頻帶建立日期人數(shù)（千）英國TACS90019851200瑞典 挪威芬蘭 丹麥NMT450900198119861300法國Radiocom2000NMT450,9004501985198930090意大利RTMSTACS4509001985199060560德國C-4504501985600瑞士NMT9001987180荷蘭NMT45090019851989130奧地利NMTTACS450900198419906060GSM數(shù)字移動通信系統(tǒng)史源于歐洲。早在1982年，歐洲已有幾大模擬蜂窩移動系統(tǒng)在運營，例如北歐多國的NMT（北歐移動電話）和英國的TACS（全接入通信系統(tǒng)），西歐其它各國也提供移動業(yè)務(wù)。當時這些系統(tǒng)是國內(nèi)系統(tǒng)，不可能在國外使用。為了方便全歐洲統(tǒng)一使用移動電話，需要一種公共的系統(tǒng)，1982年北歐國家向CEPT（歐洲郵電行政）提交了一份建議書，要求制定900MHz頻段的公共歐洲電信業(yè)務(wù)規(guī)范。在這次大會上就成立了一個在歐洲電信標準學會（ETSI）技術(shù)委員會下的“移動特別小組（Group Special Mobile）”簡稱“GSM”，來制定有關(guān)的標準和建議書。 1986年在巴黎，該小組對歐洲各國及各公司經(jīng)大量研究和實驗后所提出的8個建議系統(tǒng)進行了現(xiàn)場實驗。 1987年5月GSM成員國就數(shù)字系統(tǒng)采用窄帶時分多址TDMA、規(guī)則脈沖激勵線性預(yù)測RPELTP話音編碼和高斯濾波最小移頻鍵控GMSK調(diào)制方式達成一致意見。同年，歐洲17個國家的運營者和管理者簽署了諒解備忘錄（MoU），相互達成履行規(guī)范的協(xié)議。與此同時還成立了MoU組織，致力于GSM標準的發(fā)展。 1990年完成了GSM900的規(guī)范，共產(chǎn)生大約130項的全面建議書，不同建議書經(jīng)分組而成為一套12系列。 1991年在歐洲開通了第一個系統(tǒng)，同時MoU組織為該系統(tǒng)設(shè)計和注冊了市場商標，將GSM更名為“全球移動通信系統(tǒng)”（Globa1 system for Mobile communications）。從此移動通信跨入了第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)。同年，移動特別小組還完成了制定1800MHz頻段的公共歐洲電信業(yè)務(wù)的規(guī)范，名為DCSI800系統(tǒng)。該系統(tǒng)與GSM900具有同樣的基本功能特性，因而該規(guī)范只占GSM建議的很小一部分，僅將GSM900和DCSI800之間的差別加以描述，絕大部分二者是通用的，兩系統(tǒng)均可通稱為GSM系統(tǒng)。 1992年大多數(shù)歐洲GSM運營者開始商用業(yè)務(wù)。到1994年5月已有50個GSM網(wǎng)在世界上運營，10月總客戶數(shù)已超過400萬，國際漫游客戶每月呼叫次數(shù)超過500萬，客戶平均增長超過50。 1993年歐洲第一個DCS1800系統(tǒng)投入運營。到1994年已有6個運營者采用了該系統(tǒng)。最終推向全球，為人們提供GSM服務(wù)。1.3移動通信的發(fā)展狀況及未來移動通信是當代通信領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展最快，市場前景最好的部分。從80年代以來，移動通信技術(shù)已經(jīng)從第一代（模擬系統(tǒng)）和第二代（GSM）的發(fā)展，達到通信領(lǐng)域市場容量的40至50，成了國際上最受重視的領(lǐng)域，從1995年到2000年，中國移動通信用戶年平均增長率接近100，中國移動電話用戶增至1.37億戶，（截止到2001年10月）飛速發(fā)展的市場，不僅引來了世界上最新的通信產(chǎn)品，而且也使中國成為通信技術(shù)創(chuàng)新最活躍的國家之一。信息產(chǎn)業(yè)部副部長說，根據(jù)“十五”規(guī)劃，中國移動通信產(chǎn)業(yè)將保持百分之二十以上的年平均增長速度，到2005年末，中國內(nèi)地移動電話用戶數(shù)將超過二點六億。通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和用戶數(shù)均居世界第二位1。我們都已目睹了近幾年來技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展以及由此而帶來的種種益處。這些發(fā)展必將繼續(xù)下去20世紀90年代，無線技術(shù)以一種堪稱“難以置信”的方式得到發(fā)展。如果說過去幾年的發(fā)展是振奮人心的，未來的發(fā)展也將更加如此。隨著技術(shù)的進步，移動通信正朝著能提供語音、數(shù)據(jù)、多媒體信息通信為一體的第三代（3G）網(wǎng)絡(luò)演進。第三代移動通信的發(fā)展已成為全球通信設(shè)備制造商和電信營運商所關(guān)心的熱點。它將影響到今后十年通信網(wǎng)和通信服務(wù)的發(fā)展。對設(shè)備制造商，則是數(shù)以萬億美元計的巨大市場。對我國來說，則是我國民族科技和民族產(chǎn)業(yè)在移動通信領(lǐng)域突起的一個極好的機遇。如3G這樣的發(fā)展正是這一深刻轉(zhuǎn)變的要素。在這種轉(zhuǎn)變中，令人眩目的機遇接踵而至1。1.4 GSM移動通信系統(tǒng)基本組成原理簡述1.4.1GSM系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)GSM系統(tǒng)由許多功能單元組成，由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（如下圖2所示）中可以看出，整個系統(tǒng)可以分為4個相互獨立的子系統(tǒng)：移動臺（MS）、基站子系統(tǒng)（BSS）、網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)（NSS）和操作支持子系統(tǒng)（OSS）。圖1 GSM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖其中，基站子系統(tǒng)（BSS）是GSM系統(tǒng)中與無線蜂窩方面關(guān)系最直接的基本組成部分，它通過無線接口直接與移動臺相連，負責無線發(fā)送接收和無線資源的管理。網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（NSS）是整個系統(tǒng)的核心，它對GSM移動用戶之間及移動用戶與其他通信網(wǎng)用戶之間通信起著交換、連接與管理的功能，主要負責完成呼叫處理、通信管理、移動管理、部分無線資源管理、安全性管理、用戶數(shù)據(jù)和設(shè)備管理、計費記錄處理、公共信道、信令處理和本地運行維護等。BSS主要負責無線信息的發(fā)送與接收及無線資源管理，同時與NSS相連，實現(xiàn)移動用戶間或移動用戶與固定網(wǎng)絡(luò)用戶之間的通信連接，傳送信息系統(tǒng)和用戶信息等。通過A接口和UM接口，移動臺（MS）、BSS和NSS組成GSM系統(tǒng)的信息傳輸實體部分。操作支持子系統(tǒng)（OSS）則為運營部門提供一種手段，用來控制和維護這些實際運行部分。1.4.2GSM系統(tǒng)的接口GSM系統(tǒng)接口示意圖，如圖3 所示。圖2 SM系統(tǒng)接口示意圖（1）Um接口：BTS和MS之間的接口。Um接口是GSM系統(tǒng)接口中最重要的接口，UM接口的物理層（一層）連接內(nèi)容包括：工作頻段：890MHz-915MHz（移動臺發(fā)），935MHz-960MHz（基地臺發(fā)）；頻載波：124個；波間隔：200KHz；多址方式：TDMA；基本幀：每載波8時隙；信道速率：270.83kb/s,碼元寬度3.7s；調(diào)制方式：GMSK，調(diào)制指數(shù)：0.30。 （2）Abis接口：BSC和BTS之間的接口，Abis接口支持向客戶提供的所有服務(wù)，并支持對BTS無線設(shè)備的控制和無線頻率的分配。 （3）A接口：BSC與MSC之間的接口，主要傳遞呼叫處理、移動性管理等信息。 （4）B接口：MSC與VLR之間的接口，用于MSC向VLR詢問有關(guān)移動臺當前位置信息，或通知VLR有關(guān)移動臺的位置更新。 （5）C接口：MSC與HLR之間的接口，用于查詢用戶信息。 （6）D接口：HLR與VLR之間的接口，主要交換位置信息和客戶信息。（7）E接口：MSC與MSC之間的接口，用于移動臺在呼叫期間從一個MSC區(qū)移動到另一個MSC區(qū)，為保持通話連續(xù)而進行局間切換，以及兩個MSC間建立客戶呼叫接續(xù)時傳遞有關(guān)消息。 （8）F接口：MSC與EIR之間的接口，用于MSC檢驗移動臺IMEI時使用。 （9）G接口：VLR和VLR之間的接口，當移動臺以TMSI啟動位置更新時VLR使用G接口向前一個VLR獲取MS的IMSI。 1.5手機終端的發(fā)展第一代手機（1G）是指模擬的移動電話，最先研制出大哥大的是美國摩托羅拉公司的 Cooper博士。由于當時的電池容量限制和模擬調(diào)制技術(shù)需要碩大的天線和集成電路的發(fā)展狀況等等制約，這種手機外表四四方方，只能成為可移動攜。 這種手機有多種制式，如NMT，AMPS，TACS，但是基本上使用頻分復(fù)用方式只能進行語音通信，收訊效果不穩(wěn)定，且保密性不足，無線帶寬利用不充分。此中手機類似于簡單的無線電雙工電臺，通話是鎖定在一定頻率，所以使用可調(diào)頻電臺就可以竊聽通話。 第二代手機（2G）也是最常見的手機。通常這些手機使用PHS，GSM或者CDMA這些十分成熟的標準，具有穩(wěn)定的通話質(zhì)量和合適的待機時間。在第二代中為了適應(yīng)數(shù)據(jù)通訊的需求，一些中間標準也在手機上得到支持，例如支持彩信業(yè)務(wù)的GPRS和上網(wǎng)業(yè)務(wù)的WAP服務(wù)，以及各式各樣的Java程序等。 3G，是英文3rdGeneration的縮寫，指第三代移動通信技術(shù)。相對第一代模擬制式手機（1G）和第二代GSM、TDMA等數(shù)字手機（2G），第三代手機一般地講，是指將無線通信與國際互聯(lián)網(wǎng)等多媒體通信結(jié)合的新一代移動通信系統(tǒng)。它能夠處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式，提供包括網(wǎng)頁瀏覽、電話會議、電子商務(wù)等多種信息服務(wù)。為了提供這種服務(wù)，無線網(wǎng)絡(luò)必須能夠支持不同的數(shù)據(jù)傳輸速度，也就是說在室內(nèi)、室外和行車的環(huán)境中能夠分別支持至少2Mbps（兆字節(jié)每秒）、384kbps（千字節(jié)每秒）以及144kbps的傳輸速度。1.5.1目前手機 目前在全球范圍內(nèi)使用最廣的手機是GSM手機和CDMA手機。手機外觀上一般都應(yīng)該包括至少一個液晶顯示屏和一套按鍵（部分采用觸摸屏的手機減少了按鍵）。部分手機除了典型的電話功能外，還包含了PDA、游戲機、MP3、 照相、錄音、攝像、定位等更多的功能，有向帶有手機功能的Pocket PC發(fā)展的趨勢。 第一代手機（1G）是指模擬的移動電話，也有多種制式，如NMT，AMPS，TACS，但是基本上只能進行語音通信，收訊的效果與保密性不足，無線寬帶利用不充分。在第二代手機出現(xiàn)以后有了對比，人們才把這些模擬制式的手機稱為第一代手機。用于第三代移動通信系統(tǒng)（3G）的手機也已經(jīng)研制出來了，但是由于相關(guān)網(wǎng)絡(luò)沒有普及，并未得到廣泛的應(yīng)用。第三代手機的開始的目標之一是開發(fā)一種可以全球通用的無線通訊系統(tǒng)，但是實際最終的結(jié)果是出現(xiàn)了多種不同的制式，主要有WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA在競爭。這些新的制式都基于CDMA（碼分多址）技術(shù)，在帶寬利用和數(shù)據(jù)通信方面都有進一步發(fā)展。1.5.2未來手機 未來的手機將偏重于安全和數(shù)據(jù)通訊。一方面加強個人隱私的保護，另一方面加強數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的研發(fā)，更多的多媒體功能被引入進來，手機將會具有更加強勁的運算能力，成為個人的信息終端，而不是僅僅具有通話和文字消息的功能。手機會更加智能化，微型化，安全化，多功能化。未來手機以下幾種技術(shù)會受寵：（1）裸眼3D技術(shù)受寵雖然3D顯示在手機設(shè)備上還處于起步階段，但是各大操作系統(tǒng)及手機廠商顯然都意識到了3D技術(shù)在未來的重要性，特別是三星、夏普等韓、日手機廠商。當然，我們這里提到的并非是普通的3D界面，而是真正的裸眼3D顯示技術(shù)。目前夏普已經(jīng)推出了兩款裸眼3D智能手機：003SH、SH-03C，這兩款手機無需佩戴特殊眼鏡便可直接在手機上觀看三維圖像，無論橫豎模式都可生成三維圖像。（2）電容屏稱霸觸控手機市場自蘋果iPhone推出后，電容屏迅速成在高端觸控手機市場流行開來，在09年電阻屏還占據(jù)著70%的市場份額，而到今年就已跌至30%，也就是說電容屏的市場份額在今年已迅速增長至70%。到明年，根據(jù)觸摸屏解決方案供應(yīng)商塞普銳思的預(yù)測，觸控手機有望全面使用電容觸控屏。（3）4G手機是集3G與WLAN于一體，并能夠傳輸高質(zhì)量視頻圖像，它的圖像傳輸質(zhì)量與高清晰度與電視不相上下。4G系統(tǒng)能夠以100Mbps的速度下載，比目前的撥號上網(wǎng)快2000倍，上傳的速度也能達到20Mbps，并能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務(wù)的要求。（4）未來的手機會更大屏幕，但可以折疊起來，折疊后的手機十分小巧，小到你不敢相信的地步。打開后屏幕可以更好的帶來視聽享受。（5）信用卡手機隨著射頻身份識別技術(shù)的廣泛使用，在手機中將集成可以從無線電標簽中提取有用信息的功能。其中，近距離通信使得在不同設(shè)備間進行數(shù)據(jù)交換成為可能。1.6 LabView發(fā)展及其優(yōu)點1.6.1LabView的發(fā)展電子測量儀器發(fā)展至今，大體可分為四代：模擬儀器，分立元件儀器，數(shù)字化儀器，智能儀器和虛擬儀器。（1）第一代模擬儀器這類儀器在某些實驗室仍能看到，是以電磁感應(yīng)基本定律為基礎(chǔ)的指針式儀器，如指針式萬用表，指針式電壓表等，這類指針式儀器借助指針來顯示最后結(jié)果。（2）第二代分立元件式儀器當20世紀50年代出現(xiàn)電子管，60年代出現(xiàn)晶體管時，便產(chǎn)生了以電子管或晶體管電子電路為基礎(chǔ)的第二代測試儀器(分立元件式儀表)。（3）第三代數(shù)字化儀器20世紀70年代，隨著集成電路的出現(xiàn)，誕生了以集成電路芯片為基礎(chǔ)的第三代儀器(數(shù)字式儀器)。這類儀器現(xiàn)在相當普及，如數(shù)字式電壓表，數(shù)字頻率計等。這類儀器將模擬信號的測量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號測量，并以數(shù)字方式輸出最終結(jié)果，適用于快速響應(yīng)和較高準確度的測量。（4）第四代智能儀器隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和微處理器的普及，以微處理器為核心的第四代儀器(智能式儀表)迅速普及。這類儀器內(nèi)置微處理器，既能進行自動測試，又具有一定的數(shù)據(jù)處理功能，可取代部分腦力勞動，習慣上稱為智能儀器。目前，微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，測試技術(shù)與計算機深層次的結(jié)合正引起測試儀器領(lǐng)域里新的革命，一種全新的儀器結(jié)構(gòu)概念導致新一代儀器虛擬儀器的出現(xiàn) ，它是現(xiàn)代計算機，通信技術(shù)和測量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是傳統(tǒng)儀器觀念的一次巨大變革，是儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要方向。它的出現(xiàn)使人類的測試技術(shù)進入了一個新的發(fā)展紀元 2。LabView的主要發(fā)展階段可歸納為六個階段,如圖3所示。圖3 LabView主要發(fā)展階段1.6.2虛擬儀器的功能和特點虛擬儀器利用PC機強大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立虛擬儀器面板，完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)分析和顯示，代替了傳統(tǒng)儀器，改變了傳統(tǒng)儀器的使用方式，極大的提高了儀器的功能和使用效率，大幅度的降低了儀器的價格，使用戶可以根據(jù)自己的需要自定義儀器的功能；可以說，虛擬儀器的出現(xiàn)將“儀器”的概念推向了一個新的紀元。 隨著社會生產(chǎn)力的極大發(fā)展，現(xiàn)代化的生產(chǎn)要求電子儀器品種多、功能強、精度高、 自動化程度高，而且要求測試速度快、實時性好、具有良好的人機界面。虛擬儀器正好可以滿足這些要求。與傳統(tǒng)的儀器相比較，虛擬儀器具有如下幾點優(yōu)點：（1）虛擬儀器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是軟件。虛擬儀器系統(tǒng)中除PC機外的硬件主要用于數(shù)據(jù)的采集、輸入，至于系統(tǒng)怎樣處理數(shù)據(jù)，具有怎樣的面板和數(shù)據(jù)輸出的形式等都是由軟件決定的。虛擬儀器的好壞，很大程度上取決于軟件水平的高低。（2）開發(fā)與維護的費用低，系統(tǒng)組建時間短。當需要增加新的測量功能，只需要增加軟件模塊或通用的硬件模塊，縮短了系統(tǒng)的更新時間，而且有利于系統(tǒng)的擴展。應(yīng)用軟件不像傳統(tǒng)儀器的硬件那樣存在元器件老化的問題，大大節(jié)省了維護的費用，延長設(shè)備的使用壽命。（3）測量更準確。傳統(tǒng)儀器測量個體之間差異大，而虛擬儀器的應(yīng)用軟件在不同的PC機上具有相同的運行效果，在軟件運行這方面不存在個體的差異。（4）測量更方便。因為傳統(tǒng)儀器功能單一，所以對一個信號完成多個參數(shù)的測量需要多臺儀器，使測量受連接方式、電纜長度等因素的影響。虛擬儀器只需對信號進行一次采樣，多個軟件模塊對同一組數(shù)據(jù)進行不同的處理就能實現(xiàn)多個參數(shù)的同時測量。（5）具有強大的數(shù)據(jù)處理功能。計算機運算速度的大大提高和數(shù)字信號處理理論的豐富和完善，使虛擬儀器能夠快速準確的處理數(shù)據(jù)。為了清楚的表明傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的區(qū)別，詳細對比見表2。表2傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的比較傳統(tǒng)儀器虛擬儀器功能由儀器廠商定義功能由用戶自己定義與其它儀器設(shè)備的連接十分有限可方便的與網(wǎng)絡(luò)外設(shè)及多種儀器連接圖形界面小，人工讀取數(shù)據(jù)，信息量小界面圖形化，計算機直接讀取數(shù)據(jù)并分析處理數(shù)據(jù)無法編輯數(shù)據(jù)可編輯、存儲、打印硬件是關(guān)鍵部分軟件是關(guān)鍵部分價格昂貴價格低廉，僅是傳統(tǒng)儀器的五至十分之一系統(tǒng)封閉、功能固定、可擴展性差基于計算機技術(shù)開放的功能模塊可構(gòu)成多種儀器技術(shù)更新慢技術(shù)更新快開發(fā)和維護費用高基于軟件體系的結(jié)構(gòu)可大大節(jié)省開發(fā)費用第二章 LabView圖形化編程語言2.1 LabView簡介LabView（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序的執(zhí)行順序，而LabView則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了程序的執(zhí)行順序。它用圖標表示函數(shù)，用連線表示數(shù)據(jù)流向。LabView提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便的創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在LabView中被稱為前面板。使用圖標和連線，可以通過編程對前面板上的對象進行控制。這就是圖形化源代碼，又稱為G（Graphics）代碼。LabView的圖形化源代碼在某種程度上類似于數(shù)據(jù)流流程圖，因此又被稱為程序框圖代碼。前面板上的每一個控件對應(yīng)應(yīng)用程序框圖中的一個對象，當數(shù)據(jù)流向該控件時，控件就會根據(jù)自己的特性以一定的方式顯示數(shù)據(jù)，例如開關(guān)、數(shù)字和圖形6。圖4反映了常見的虛擬儀器方案。圖4 虛擬儀器方案2.2 LabView構(gòu)建程序框圖所有的LabView應(yīng)用程序，即虛擬儀器（VI），它包括前面板（front panel）、流程圖（block diagram）以及圖標/連結(jié)器(icon/connector)三部分。2.2.1前面板前面板是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板，界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制（control）和顯示對象（indicator）。如圖5所示是一個隨機信號發(fā)生和顯示的簡單VI是它的前面板，上面有一個顯示對象，以曲線的方式顯示了所產(chǎn)生的一系列隨機數(shù)。還有一個控制開關(guān)，可以啟動和停止工作。圖5隨機信號發(fā)生器的前面板2.2.2流程圖流程圖提供VI的圖形化源程序。在流程圖中對VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖中包括前面板上的控件的連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。圖6是與圖5對應(yīng)的流程圖。我們可以看到流程圖中包括了前面板上的開關(guān)和隨機數(shù)顯示器的連線端子，還有一個隨機數(shù)發(fā)生器的函數(shù)及程序的循環(huán)結(jié)構(gòu)。隨機數(shù)發(fā)生器通過連線將產(chǎn)生的隨機信號送到顯示控件，為了使它持續(xù)工作下去，設(shè)置了一個While Loop循環(huán)，由開關(guān)控制這一循環(huán)的結(jié)束4。圖6信號發(fā)生器的流程圖如果將VI與標準儀器相比較，那么前面板上的東西就是儀器面板上的東西，而流程圖上的東西相當于儀器箱內(nèi)的東西。在許多情況下，使用VI可以仿真標準儀器，不僅在屏幕上出現(xiàn)一個惟妙惟肖的標準儀器面板，而且其功能也與標準儀器相差無幾6。2.2.3圖標與連接器VI具有層次化和結(jié)構(gòu)化的特征。一個VI可以作為子程序，這里稱為子VI（subVI），被其他VI調(diào)用。圖標與連接器在這里相當于圖形化的參數(shù)。2.3 LabView的操作模板在LabView的用戶界面上，應(yīng)特別注意它提供的操作模板，包括工具（Tools）模板、控制（Controls）模板和函數(shù)（Functions）模板。這些模板集中反映了該軟件的功能與特征。下面來大致介紹一下。2.3.1工具模板（Tools Palette）如右圖所示，該模板提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試VI程序的工具。如果該模板沒有出現(xiàn)，則可以在Windows菜單下選擇Show Tools Palette命令以顯示該模板。右圖工具中注意1和2的區(qū)別，2用于編程時，1用于運行程序時。4是一個特有的工具，它并不是一個簡單的畫線工具，而是一個符合LabView語言規(guī)定的對象連接工具。工具圖標有如表3所示。表3工具模塊圖標名稱功能1Operate Value（操作值）圖標2Position/Size/Select （選擇）用于選擇、移動或改變對象的大小。當它用于改變對象的連框大小時，會變成相應(yīng)形狀3Edit Text（編輯文本）用于輸入標簽文本或者創(chuàng)建自由標簽。當創(chuàng)建自由標簽時它會變成相應(yīng)形狀4Connect Wire（連線）用于在流程圖程序上連接對象5Object Menu（對象菜單）用鼠標左鍵可以彈出對象的彈出式菜單6Scroll Windows（窗口漫游）使用該工具就可以不需要使用滾動條而在窗口中漫游續(xù)表37Set/Clear Breakpoint（斷點設(shè)置清除）使用該工具在VI的流程圖對象上設(shè)置斷點8Probe Data（數(shù)據(jù)探針）可在框圖程序內(nèi)的數(shù)據(jù)流線上設(shè)置探針。通過控針窗口來觀察該數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù)變化狀況9 Get Color（顏色提取）使用該工具來提取顏色用于編輯其他的對象2.3.2控制模板（Control Palette）如右圖所示，該模板用來給前面板設(shè)置各種所需的輸出顯示對象和輸入控制對象。每個圖標代表一類子模板。如果控制模板不顯示，可以用Windows菜單的Show Controls Palette功能打開它，也可以在前面板的空白處，點擊鼠標右鍵，以彈出控制模板?？刂颇０迦缬覉D所示，它包括如表4所示的一些子模板。表4控制模塊圖標子模板名稱功能1Numeric(數(shù)值量)數(shù)值的控制和顯示。包含數(shù)字式、指針式顯示表盤及各種輸入框2Boolean（布爾量）邏輯數(shù)值的控制和顯示。包含各種布爾開關(guān)、按鈕以及指示燈等3String & Path（字符串和路徑）字符串和路徑的控制和顯示4Array & Cluster（數(shù)組和簇）數(shù)組和簇的控制和顯示5List & Table（列表和表格）列表和表格的控制和顯示續(xù)表46Graph（圖形顯示）顯示數(shù)據(jù)結(jié)果的趨勢圖和曲線圖7Ring & Unum（環(huán)與枚舉）環(huán)與枚舉的控制和顯示8I/O（輸入/輸出功能）輸入/輸出功能。于操作OLE、ActiveX等功能9Regnum參考數(shù)10Diglot Controls（數(shù)字控制）數(shù)字控制11Classic Controls（經(jīng)典控制）經(jīng)典控制，指以前版本軟件的面板圖標12ActiveX用于ActiveX等功能13Decorations（裝飾）用于給前面板進行裝飾的各種圖形對象14Select Controls（控制選擇）調(diào)用存儲在文件中的控制和顯示的接口15User Controls（用戶控制）用戶自定義的控制和顯示2.3.3功能模板(Functions Palette)功能模板是創(chuàng)建流程圖程序的工具。該模板上的每一個頂層圖標都表示一個單獨的子模板。如果功能模板不出現(xiàn)，則可以用Windows菜單下的Show Functions Palette功能打開它，也可以在流程圖程序窗口的空白處點擊鼠標右鍵以彈出功能模板。功能模板如右圖所示，其子模塊如表5所示（個別不常用的子模塊未包含）。 表5功能模塊圖標子模板名稱功能1Structure（結(jié)構(gòu)）包括程序控制結(jié)構(gòu)命令，例如循環(huán)控制等，以及全局變量和局部變量2Numeric（數(shù)值運算）包括各種常用的數(shù)值運算，還包括數(shù)制轉(zhuǎn)換、三角函數(shù)、對數(shù)、復(fù)數(shù)等運算，以及各種數(shù)值常數(shù)3Boolean（布爾運算）包括各種邏輯運算符以及布爾常數(shù)4String（字符串運算）包含各種字符串操作函數(shù)、數(shù)值與字符串之間的轉(zhuǎn)換函數(shù)，以及字符(串)常數(shù)等5Array（數(shù)組）包括數(shù)組運算函數(shù)、數(shù)組轉(zhuǎn)換函數(shù)，以及常數(shù)數(shù)組等6Cluster（簇）包括簇的處理函數(shù)，以及群常數(shù)等。這里的群相當于C語言中的結(jié)構(gòu)7Comparison（比較）包括各種比較運算函數(shù)，如大于、小于、等于8Time & Dialog（時間和對話框）包括對話框窗口、時間和出錯處理函數(shù)等9File I/O（文件輸入/輸出）包括處理文件輸入/輸出的程序和函數(shù)10Data Acquisition（數(shù)據(jù)采集）包括數(shù)據(jù)采集硬件的驅(qū)動，以及信號調(diào)理所需的各種功能模塊11Waveform（波形）各種波形處理工具12Analyze（分析）信號發(fā)生、時域及頻域分析功能模塊及數(shù)學工具 續(xù)表513Instrument I/O（儀器輸入/輸出）包括GPIB(488、488.2)、串行、VXI儀器控制的程序和函數(shù)，以及VISA的操作功能函數(shù)14Motion & Vision（運動與景象）包括運動與景象操作功能函數(shù)15Mathematics（數(shù)學）包括統(tǒng)計、曲線擬合、公式框節(jié)點等功能模塊，以及數(shù)值微分、積分等數(shù)值計算工具模塊16Communication（通訊）包括TCP、DDE、ActiveX和OLE等功能的處理模塊17Application Control（應(yīng)用控制）包括動態(tài)調(diào)用VI、標準可執(zhí)行程序的功能函數(shù)18Graphics & Sound（圖形與聲音）包括3D、OpenGL、聲音播放等功能模塊。包括調(diào)用動態(tài)連接庫和CIN節(jié)點等功能的處理模塊19Tutorial（示教課程）包括LabVIEW示教程序2.4虛擬儀器的構(gòu)成2.4.1通用儀器硬件平臺虛擬儀器的硬件平臺有兩部分構(gòu)成：1、計算機：一般為一臺PC機或者工作站，它是硬件平臺的核心。2、I/0接口設(shè)備：主要完成被測輸入信號的采集，放大，模/數(shù)轉(zhuǎn)換。根據(jù)不同的總線及其相應(yīng)的I/O接口硬件設(shè)備，如利用PC機總線的數(shù)據(jù)采集卡/板（DAQ），GPIB總線儀器，VXI總線儀器模塊，串口總線儀器等，其構(gòu)成方式主要有5種類型。（1）PC-DAQ系統(tǒng)：它是以數(shù)據(jù)采集板，信號調(diào)理電路及計算機為儀器硬件平臺組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。這種系統(tǒng)才要PCI和ISA計算機本身的總線，故將數(shù)據(jù)采集卡/板（DAQ）插入計算機的空槽即可。（2）GPIB系統(tǒng)：它是以GPIB標準總線儀器與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。（3）VXI系統(tǒng)：它是以VXI標準總線儀器與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。（4）PXI系統(tǒng)：以PXI標準總線儀器模塊玉計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。（5）串口系統(tǒng)：它是以SERIAL標準總線儀器與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。無論上述哪種VI系統(tǒng)，都是通過應(yīng)用軟件將儀器硬件與通用計算機相結(jié)合，其中PC-DAQ測量系統(tǒng)是構(gòu)成VI的最基本的方式，也是最廉價的方式。虛擬儀器構(gòu)成框圖如圖7所示圖7虛擬儀器的構(gòu)成框圖2.4.2軟件結(jié)構(gòu)虛擬儀器軟件由兩大部分組成。1、應(yīng)用程序包括兩個方面：（1）實現(xiàn)虛擬面板功能的前板軟件程序；（2）定義測試功能的流程圖軟件程序。2、I/O接口儀器驅(qū)動程序：I/O接口儀器驅(qū)動程序完成特定外部硬件設(shè)備的筐子，驅(qū)動與通信。開發(fā)虛擬儀器必須有合適的軟件工具，目前的虛擬儀器軟件開發(fā)工具有如下兩類：（1）文本式編程語言如VISUAL C+，VISUAL BASIC，LAB WINDOWS/CVI等；（2）圖形化編程語言如LABVIEW，HPVEE等。這些軟件開發(fā)工具為用戶設(shè)計虛擬儀器應(yīng)用軟件提供了最大限度的方便條件與良好的開發(fā)環(huán)境。本設(shè)計介紹的是LABVIEW圖形化編程語言。2.5創(chuàng)建手機界面的VI程序VI程序具有三個要素：前面板、框圖程序和圖標/連接器。下面進行介紹。2.5.1前面板使用輸入控制和輸出顯示來構(gòu)成前面板。控制是用戶輸入數(shù)據(jù)到程序的接口，而顯示是輸出程序產(chǎn)生的數(shù)據(jù)接口?？刂坪惋@示有許多種類，最常用的前面板對象是數(shù)字控制和數(shù)字顯示。若想要在數(shù)字控制中輸入或修改數(shù)值，你只需要用操作工具點擊控制部件和增減按鈕，或者用操作工具或標簽工具雙擊數(shù)值欄進行輸入數(shù)值修改。（1）建立基本的操作范圍和良好的外觀，如圖8所示。圖8確定基礎(chǔ)操作界面（2）在前面板上添加控件：手機顯示器、按鍵、串口配置。如圖9所示。圖9添加控件（3）插入圖片使外觀更加美觀，如圖10所示。圖10插圖手機界面最終前面板如圖11所示。圖11最終手機界面2.5.2程序框圖設(shè)計框圖程序是由節(jié)點、端點、圖框和連線四種元素構(gòu)成的。（1）節(jié)點：節(jié)點類似于文本語言程序的語句、函數(shù)或者子程序。LabVIEW有二種節(jié)點（類型函數(shù)節(jié)點和子VI節(jié)點）。兩者的區(qū)別在于：函數(shù)節(jié)點是LabVIEW以編譯好了的機器代碼供用戶使用的，而子VI節(jié)點是以圖形語言形式提供給用戶的。用戶可以訪問和修改任一子VI節(jié)點的代碼，但無法對函數(shù)節(jié)點進行修改11。（2）端點：端點是只有一路輸入/輸出，且方向固定的節(jié)點。LabVIEW有三類端點（前面板對象端點、全局與局部變量端點和常量端點）。對象端點是數(shù)據(jù)在框圖程序部分和前面板之間傳輸?shù)慕涌?。一般來說，一個VI的前面板上的對象（控制或顯示）都在框圖中有一個對象端點與之一一對應(yīng)。當在前面板創(chuàng)建或刪除面板對象時，可以自動創(chuàng)建或刪除相應(yīng)的對象端點?？刂茖ο髮?yīng)的端點在框圖中是用粗框框住的，常量端點永遠只能在VI程序框圖中作為數(shù)據(jù)流源點。（3）框圖：圖框是LabVIEW實現(xiàn)程序結(jié)構(gòu)控制命令的圖形表示。如循環(huán)控制、條件分支控制和順序控制等，編程人員可以使用它們控制VI程序的執(zhí)行方式。代碼接口節(jié)點（CIN）是框圖程序與用戶提供的C語言文本程序的接口。（4）連線：連線是端口間的數(shù)據(jù)通道。它們類似于普通程序中的變量。數(shù)據(jù)是單向流動的，從源端口向一個或多個目的端口流動。不同的線型代表不同的數(shù)據(jù)類型。在彩顯上，每種數(shù)據(jù)類型還以不同的顏色予以強調(diào)。下表6是一些常用數(shù)據(jù)類型所對應(yīng)的線型和顏色。表6 常用數(shù)據(jù)類型所對應(yīng)的線型和顏色數(shù)據(jù)類型標量一位數(shù)組二維數(shù)組顏色整型數(shù)藍色浮點數(shù)橙色邏輯量綠色字符串粉色文件途徑青色當需要連接兩個端點時，在第一個端點上點擊連線工具（從工具模板欄調(diào)用），然后移動到另一個端點，再點擊第二個端點。端點的先后次序不影響數(shù)據(jù)流動的方向。當把連線工具放在端點上時，該端點區(qū)域?qū)W爍，表示連線將會接通該端點。當把連線工具從一個端口接到另一個端口時，不需要按住鼠標鍵。當需要連線轉(zhuǎn)彎時，點擊一次鼠標鍵，即可以正交垂直方向地彎曲連線，按空格鍵可以改變轉(zhuǎn)角的方向。本設(shè)計后面板主要分為以下幾部分組成：1、VISA串口通信設(shè)計串口通信設(shè)計主要有程序流程和結(jié)構(gòu)、VISA Read模塊、VISA Write模塊組成。（1）流程及結(jié)構(gòu)設(shè)計：在確定安裝VISA串口程序后，首先添加一個3幀的平鋪式順序結(jié)構(gòu)，添加完整的VISA串口讀寫程序，并進行基礎(chǔ)的VISA串口配置參數(shù)配置，LabView開發(fā)的串口讀寫程序如圖12所示。圖12串口讀寫程序程序圖用到的VISA串口類型及其功能如下：VISA serial模塊：是用來初始化COM端口，包括端口號、波特率、數(shù)據(jù)位等。VISA Write模塊用于把指定的字符串寫入COM口。VISA Read模塊用于讀取指定COM的內(nèi)容。VISA Close模塊用于關(guān)閉指定的COM口。（2）VISA Read：模塊讀取的數(shù)據(jù)經(jīng)屬性節(jié)點后得到可處理的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)種類，再結(jié)合需要使用的AT命令的格式完成撥號、忙音、來電標記等，并能通過液晶屏顯示。如圖13所示，是VISA Read實現(xiàn)功能程序框圖。圖13 VISA讀數(shù)據(jù)（3）VISA Write：模塊寫入無線通信平臺如果輸入的AT命令沒有錯誤，經(jīng)過串口數(shù)據(jù)傳送就可以使線通信模塊執(zhí)行如呼叫，短信等命令。如圖14所示，是VISA Write實現(xiàn)功能程序框圖。圖14 VISA寫數(shù)據(jù)2、無線通信實現(xiàn)方法（1）手機按鍵功能實現(xiàn)：如圖15所示，事件結(jié)構(gòu)左上角的